VoLTE+UE开机附着流程核心网侧的研究

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研究与探讨
26 2016年第8期
VoLTE UE开机附着流程核心网侧的研究
VoLTE UE在LTE网络中使用语音业务首先要保证正常的网络附着，从最基本的VoLTE UE附着成功的信令
流程入手，将此过程分为EPS附着过程和IMS注册过程，对这两个过程进行了详细的分析。结合实际情况，
提出了附着过程中可能存在的异常情况及解决办法，为快速准确地定位问题提供了帮助。
VoLTE IMS SVLTE CSFB
（中国联合网络通信有限公司陕西省分公司，陕西 西安 710075）
【摘 要】
【关键词】
谢鲲
收稿日期：2016-01-13
Research on Process of VoLTE UE Attachment in Core Network
For VoLTE UE in the LTE network to use voice service, it has to ensure that it attaches to network normally first.
The process of UE successful attachment was analyzed, and this process was divided into EPS attachment process
and IMS registration process. The two processes were analyzed in detail. Considering actual conditions, this paper
presented possible anomalies and solution, providing help for fast and accurate positioning.
VoLTE IMS SVLTE CSFB
(China United Network Communication Co., Ltd., Shanxi Branch, Xi’ an 710075, China)
XIE Kun
[Abstract]
[Key words]
1  引言
2015年12月，中国联通宣布2016年将在LTE网络
部署VoLTE（Voice over LTE，基于LTE的语音），自
此三家基础运营商都已决定在LTE网络实现VoLTE。所
谓的VoLTE就是基于LTE网络提供的语音业务。由于采
用AMR-WB（Adaptive Multi Rate Wideband，自适应
多速率宽带编码）编解码技术，VoLTE相对2G/3G的
语音，不管是呼叫时延还是语音质量都有很大改善，
呼叫时延由2G/3G网络的5s~8s缩短为0.5s~2s。语音质
量相对2G/3G网络提高了40%左右。VoLTE UE开机附
着网络的成功是决定用户能否正常使用VoLTE业务的
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.08.006 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010(2016)08-0026-05
引用格式：谢鲲. VoLTE UE开机附着流程核心网侧的研究[J]. 移动通信, 2016,40(8): 26-30.
前提，对VoLTE UE开机附着信令流程研究的重要性和
必要性也就不言而喻了。
2 LTE网络实现语音业务的三种方案
从网络和终端情况来看，在LTE网络上实现语
音业务的三种方案包括了SVLTE（Simultaneous
Voice and LTE，语音和LTE双待）、CSFB（Circuit
Switched FallBack，电路域回落）、VoLTE。
（1）SVLTE：要求手机支持多模双待，即手机同
时在2G或3G网络的CS域、PS域或LTE网络附着，2G或
3G网络的CS域提供话音业务，2G/3G网络的PS域或LTE
网络提供数据业务。这种方案不需要改造2G/3G网络结
构，而且语音和数据业务可以同时进行。用户使用语音
感知同现网一样。缺点就是手机造价高，耗电较大。 责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn
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（2）CSFB：LTE网络建设初期基本都在热点区
域建设，因此只提供数据业务。UE发起语音呼叫或接
听时，需回落到的2G/3G的CS域，使用与2G/3G网络
的CS域与LTE无线网络覆盖重叠部分。改造2G/3G网
络结构的要求少，只需要升级与LTE无线网络有重叠
区域的MSC/VLR，以支持SGs接口实现与MME的对
接，从而实现联合附着/位置更新、语音寻呼、收发短
消息等功能。缺点是用户做语音业务时的时延会有所
增加。
（3）VoLTE：引入IMS（IP Multimedia Subsystem，
IP多媒体子系统）核心网，从而实现基于IMS控
制的VoLTE以及SRVCC（Single Radio Voice Call
Continuity，单射频语音呼叫连续），在LTE网络实
现语音和多媒体业务，在LTE网络信号好的地方使用
VoLTE。在语音通话过程中LTE网络信号变弱时切换到
2G/3G的CS域，以支持话音通话的连续性。该方案要
求2G/3G网络中与MME对接的MSC升级改造支持Sv接
口，LTE网的全部MME升级改造支持Sv接口，HSS的
功能要包括HLR/SAE HSS/IMS HSS支持的功能，并支
持C-MSISDN等存储，IMS域要部署SCC AS（Service
Centralization and Continuity Application Server，服
务集中和连续性应用服务器）网元，LTE
网络覆盖规模要求大面积连续。此时的
网络结构可以将2G/3G网络和LTE网络当
作IMS的接入网。缺点是网络改造成本较
大，目前支持VoLTE的手机种类也较少。
对于第一种方案，目前中国联通没有
考虑采用。第二种方案适用于LTE网络建
设的初期和中期，中国联通目前采用此方
案。第三种方案适用于LTE网络已经大规模
覆盖的阶段。虽然中国联通2016年开始在
LTE网络部署VoLTE，但是考虑到LTE网络
覆盖质量要达到或优于2G/3G的网络规模和
覆盖质量，这不是一两年时间就可以完成
的，因此支持VoLTE的手机还需支持CSFB
功能。这样用户使用VoLTE业务出现故障时
就可以成功回落到2G/3G网络的CS域，或
者由于LTE网络信号弱，用户使用语言业务
时通过SRVCC从LTE网能及时成功切换到2G/3G的CS
域，从而不影响用户正常地使用语音业务。
3 VoLTE UE开机附着过程分析
根据发生信令消息的过程和作用，可以把VoLTE
UE开机附着流程分为两个过程：（1）EPC网络的附
着流程；（2）IMS域的注册流程。
3.1 EPC附着流程
VoLTE UE开机发起附着请求，通过鉴权后就会建
立一个默认承载，该承载使得VoLTE UE能够“永久在
线”，之后VoLTE UE会建立一个用于IMS信令的默认
承载。其信令流程如图1所示。
（1）步骤1：VoLTE UE开机，向MME发起附
着请求Attach Request消息。该消息里携带了UE的
IMSI、附着类型、语音域优先和UE模式、MS是否支
持SRVCC的网络能力等参数。表1是这几个关键信元
消息的解释。
（2）步骤2-5：LTE网络和UE相互进行鉴权。
（3）步骤6-7：鉴权成功后，MME通知HSS，UE
支持SRVCC和EPC网络支持IMS语音业务，同时MME
图1 EPC附着流程
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从HSS获取签约数据，包括默认承载上下文，一个或
多个承载签约上下文。默认承载配置数据QCI（QoS
class identifier, Qos等级标识）=9，而用于IMS默认承
载QCI=5。
（4）步骤8-12：如果UE支持CSFB，那么通过
SGs接口在2G/3G的CS域做位置更新流程，同时标记
LTE/EPS附着，保存相关MME信息，建立UE登记的
VLR与MME的SGs关联。之后VLR回消息给MME，消
息带有LAI和TMSI，从而在MME建立了SGs关联。
（5）步骤13-16：根据用户在HSS的签约信息和
PCRF配置的PCC规则，建立QCI=9的默认承载，为用
户提供“永远在线”的服务。
（6）步骤17-22：VoLTE UE收到Attach Accept消
息，消息里除了有LAI、TMSI、AMBER（Aggregate
Maximum Bit Rate，聚合最大比特率）、UE IP地址、
P-CSCF地址外，还有告知终端combined EPS/IMSI
attach完成，网络侧支持VoLTE（EPS network feature
support信元的ims-vops：IMS voice over PS session
in S1 mode supported）。根据这些信息，从而建立
QCI=5的IMS信令默认承载，用于承载SIP信令。
从以上信令流程可以知道，VoLTE UE开机流程比
普通LTE UE要多建立一条QCI=5的默认承载，用于承载
IMS信令，同时附着请求消息的信元消息也更加丰富。
3.2 IMS注册流程
VoLTE注册IMS的过程就是UE和IMS网络相互鉴权
的过程，鉴权通过后，IMS网络从HSS获取用户相关签
约信息，从而完成IMS注册。其具体过程如图2所示。
（1）步骤1-8：由于VoLTE UE首次在IMS注册，
IMS没有UE的信息，会向HSS查询用户是否开户和相
关鉴权信息，将鉴权元素AUTH和RAND放入401响应
发到UE。UE根据401消息对网络进行鉴权。
（2）步骤9-15：UE对网络鉴权没问题后算出
RES，放入重新构造的REGISTER消息里，IMS收到消
息，就会对US进行鉴权，如果没有问题，就会给UE回
200响应消息，表示IMS注册成功。
通过这两个阶段的过程，VoLTE UE开机附着过程
就全部完成，之后就可以在LTE网络正常做语音主叫
和被叫业务。
4  异常情况分析和探讨
对于VoLTE UE开机附着的整个流程，主要提出了
几种在核心网中可能出现导致附着失败的异常情况：
终端原因引起的失败，SGs接口侧的失败，EPC侧失败
和IMS网络拒绝。
4.1 终端原因引起的附着失败
终端问题是由于终端上报的消息核心网不识别导
表1  附着请求消息的关键信元参数
信元 消息详细解释 正常上报消息
EPS-attach-type
指示附着类型包括了：
（1）eps attach，UE只向EPS注册，不支持在2G/3G的CS域注册；
（2）combined-EPS/IMSI-attach，UE同时向EPS和2G/3G的CS域注册；
（3）EPS-emergency-attach，指示UE发起紧急业务。
（4）reserved，保留比特位。
combined-attach
Voice-domainpreference-andUE’S-usagesetting
如果UE支持VoLTE和CSFB，在消息中需要携带该信元。该信元包含两部分内容：
（1）UE’s usage setting：a）voice centric(0)，表示UE支持VoLTE或CSFB或两者都支持。该类终端必
须保证语音业务可用。如在LTE网络中无法获得语音业务（即VoLTE和CSFB都不可用）时，终端必须
重选回2G或3G网络；b）data centric(1)，该类终端即使无法在LTE网络使用语音业务的情况下仍可以
继续工作在LTE网络中。
（2）Voice domain preference for E-UTRAN：a）cs-voice-only(0)：仅支持CSFB。b）ims-ps-voiceonly(1)：仅支持VoLTE。c）cs-voice-preferred-ims-ps-voice-secondary(2)：优选CSFB语音业务，次选
IMS语音业务。d）ims-ps-voice-preferred-cs-voice-secondary(3)：优选VoLTE，次选CSFB。
UE’s usage
setting：voice
centric(0)和ims-psvoice-preferred-csvoice-secondary(3)
Ms-networkcapability
信元中的第21比特位可以确定终端是否支持SRVCC。如果为1，表示该终端支持SRVCC；如果为0，
表示该终端不支持SRVCC。
21比特位为1
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致。此类问题可能有：
（1）VoLTE终端接入LTE网络进行注册时，由于
上报一些终端参数如IMEI为空或不全，导致网络不识
别或不接受，核心网侧下发携带Illegal ME的拒绝消
息，导致用户附着失败。用户只有重新开关机或拔插
卡，才会再次尝试进行附着，在此之前用户不能使用
包括PS和CS在内的所有业务，这样会影响用户使用感
知。由于国内没有EIR设备，最好的解决办法是禁止网
络下发此类消息。
（2）终端上报的一些数据，可能与核心网配置
的数据不一致，导致附着失败。如UE在Attach请求消
息有ESM information transfer flag=0，即UE不提供
APN，网络就会使用用户签约的默认APN。如果根据
这个APN没有找到对应的P-GW，MME就当成失败来
处理，从而附着失败。终端问题处理较为麻烦，容易
解决的问题通过终端设置就可以解决，但是复杂的情
况就需要通过网络升级或者终端厂家对终端进行升级
来解决。
4.2 SGs接口侧的失败
SGs接口侧出现的问题主要是参数配置错误引
起的，如UE要正确回落到2G/3G域，那么MME上就
要配置相关TA（LTE Tracking Area）与LA（2G/3G
Location Area）的对应关系。根据UE附着的TA，映
射出TA对应的LA，再关联到LA对应的MSC上。MME
配置TA映射的LA的数据，并在联合附着时发给MSC/
VLR，MSC/VLR一般都检查
SGs接口上报LA的有效性。当
MSC/VLR没有配置该LA时，
MSC/VLR直接拒绝用户在SGs
接口的位置请求，导致联合附着
失败。这类问题多在新增LAC或
TAC时出现。因此当新增相关数
据时，要及时在网元上配置相关
数据，同时要避免漏配或错配。
4.3 EPC侧失败
这类失败的原因主要包括：
（1）MME配置的加密算
法种类不全。当UE上报MME终
端能力的加密算法和MME配置的不一致时，MME返
回协议错误消息，导致附着失败。根据3GPP定义的终
端，MME可支持的加密算法有：AES、SNOW、ZUC
这3种，如果不使用加密算法则为NULL。因此MME必
须设置4种算法，以便支持现网中所有类型的终端。
（2）DNS配置的解析数据不全或错误，导致解析
为UE服务的S/P-GW地址不对，从而无法正常地建立
承载，导致附着失败。这种情况在WCDMA网络建网
初期也出现过。解决办法一般是在DNS配置正确数据
或MME开启APN纠错功能。
4.4 IMS网络拒绝引起的附着失败
IMS引起的失败原因包括以下几个方面：重定向
错误（错误码3xx）；客户端错误（错误码4xx）；服
务端错误（错误码5xx）；全局错误（错误码6xx）。
在附着过程中经常出现的错误是4xx的客户端错误和
5xx的服务器错误。如UE在HSS签约的注册信息有问
题或UE发的P-CSCF的IP地址有问题或IMS配置的接
入网安全策略有问题，这些都会返回403失败码。系
统负荷过大，会返回503失败码。这些返回的SIP失败
码都带有具体的失败原因值，也就是SIP消息错误码的
Warning头域，根据Warning头域的内容可以快速准确
地定位故障。
5  结束语
本文对VoLTE UE附着过程核心网侧信令流程进
图2 IMS注册流程
研究与探讨
30 2016年第8期
（上接第 25 页）
作者简介
谢鲲：工程师，学士毕业于重庆大
学，现任职于中国联合网络通信有
限公司陕西省分公司运维部网优中
心，主要从事移动核心网优化工
作。
行详细研究，并对可能导致UE附着失败的情况进行分
析，为更加有效解地解决问题提供了帮助。目前中国
联通在部分省市已经开展了VoLTE试验，但是由于只
是进行最基本的业务测试，一旦开始大规模商用，将
会出现很多意想不到的问题。希望在今后的工作中能
提出解决异常情况更有效的办法。
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作者简介
许盛宏：高级工程师，硕士毕业于中
山大学工商管理专业，现任职于中国
电信股份有限公司广州研究院，主要
研究方向为LTE网络、IMS网络、大数
据应用的关键技术研究。
刘智德：工程师，学士毕业于北京邮
电大学信息工程系，现任职于中国电
信股份有限公司广州研究院，目前主
要负责IMS网络、LTE网络的关键技术
研究。
林俐：高级工程师，硕士毕业于中山
大学通信工程专业，现任职于中国电
信股份有限公司广东分公司网发部，
主要研究方向为LTE网络、IMS网络的
技术研究及项目管理。
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litom2004

联通也要上VOLTE了。。

XavierLi

非常感谢分享

harkin

感谢楼主的分享，非常不错！

ziseputi

学习一下

roger_2017

非常感谢楼主的分享